張錦芳 任雅娜 王軍民 楊保東?

1) (山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院,太原 030006)

2) (山西大學(xué)光電研究所,量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

1 引 言

原子激發(fā)態(tài)的光譜不僅揭示了原子激發(fā)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的信息,為理論工作者提供了必要的參數(shù)及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),而且有廣泛的應(yīng)用價(jià)值,如原子濾波器,雙色激光冷卻/俘獲中性原子、頻率上轉(zhuǎn)換、原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的精密測(cè)量、里德伯原子的激發(fā)、及激光穩(wěn)頻等[1?7].目前,常見的獲得原子激發(fā)態(tài)光譜的技術(shù)有: 光學(xué)雙共振吸收光譜(optical-optical double resonance,OODR)[8]和雙共振光抽運(yùn)光譜(double resonance optical pumping,DROP)[9,10],但這兩種光譜對(duì)工作于激發(fā)態(tài)躍遷之間的激光穩(wěn)頻時(shí),都需要對(duì)激光器進(jìn)行直接或間接的頻率調(diào)制,然后通過鎖相放大器解調(diào)出鑒頻信號(hào)來鎖定該激光器.Carr 等[11]和 Yang 等[12]基于一個(gè)階梯型的三能級(jí)原子系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)演示了一種獲得原子激發(fā)態(tài)偏振光譜的技術(shù),用工作于基態(tài)–中間激發(fā)態(tài)的圓偏振激光作為抽運(yùn)光,將原子極化、布居到中間激發(fā)態(tài),然后用另一波長、工作于中間激發(fā)態(tài)–更高激發(fā)態(tài)的線偏振光作為探測(cè)光,進(jìn)行差分探測(cè)即可獲得原子激發(fā)態(tài)的偏振光譜.區(qū)別于早在 1976年,Wieman等[13]基于二能級(jí)原子系統(tǒng)(基態(tài)–激發(fā)態(tài)),使用單一波長的激光分為兩束,一束作為抽運(yùn)光極化原子,另一束作為探測(cè)光差分探測(cè)來獲得偏振光譜 (polarization spectroscopy,PS),把激發(fā)態(tài)偏振光譜稱為雙色偏振光譜 (two-color polarization spectroscopy,TCPS).2012年,Kulatunga 等[14]基于銣原子5S1/2-5P3/2-5D5/2三能級(jí)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)初步研究了抽運(yùn)光頻率失諧對(duì)TCPS的影響; 同年,Noh[15]基于銫原子 6S1/2-6P3/2-7S1/2系統(tǒng),理論上研究了TCPS線形隨相關(guān)參數(shù)的演化; 2014年,我們研究組基于銫原子6S1/2-6P3/2-7S1/2系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上獲得了 TCPS,并結(jié)合電光調(diào)制 (electro-optic modulator,EOM)邊帶技術(shù),發(fā)展了一種將激光器無頻率調(diào)制、且偏頻鎖定到原子激發(fā)態(tài)超精細(xì)躍遷線上的方法[12].2014年,Cha 等[16]基于銣原子5P1/2-5S1/2-5P3/2V型三能級(jí)系統(tǒng),也獲得了TCPS.TCPS 光譜與 OODR,DROP 激發(fā)態(tài)光譜技術(shù)相比,突出的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在可將激光器無頻率調(diào)制地鎖定,有望進(jìn)一步提高激光器鎖頻之后的頻率穩(wěn)定度.

本文基于銫原子階梯型6S1/2-6P3/2-8S1/2能級(jí)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)上側(cè)重研究抽運(yùn)光頻率失諧、抽運(yùn)光與探測(cè)光同反向?qū)嶒?yàn)構(gòu)型對(duì)TCPS的影響,以及將其用于794.6 nm半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定.

2 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的銫原子6S1/2-6P3/2-8S1/2超精細(xì)能級(jí)圖及雙色偏振光譜TCPS原理示意圖.中間激發(fā)態(tài) 6P3/2F'= 2,3,4,5 超精細(xì)能級(jí)之間的頻率間隔分別為 151.2,201.3 和 251.1 MHz,其自然線寬為 5.22 MHz.激發(fā)態(tài) 8S1/2F''=3,4 超精細(xì)能級(jí)之間的頻率間隔為876.5 MHz,其自然線寬為 2.18 MHz.工作于 6S1/2→6P3/2能級(jí)躍遷之間的852.3 nm圓偏振激光作為抽運(yùn)光,工作于6P3/2→8S1/2能級(jí)躍遷之間的794.6 nm線偏振光作為探測(cè)光.

圖1 (a) 與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的銫原子 6S1/2-6P3/2-8S1/2 超精細(xì)能級(jí)圖; (b)雙色偏振光譜原理示意圖Fig.1.(a) The related hyperfine energy levels of Cs atoms 6S1/2-6P3/2-8S1/2; (b) schematic diagram of the two-color polarization spectroscopy (TCPS).

假設(shè)探測(cè)光的偏振方向沿x軸、傳播方向沿z軸,它可以表示為

其中ko為探測(cè)光在真空中的波矢,ω為其角頻率,E為電磁場(chǎng)振幅.當(dāng)無852.3 nm圓偏振抽運(yùn)光時(shí),室溫下氣室中的銫原子服從麥克斯韋-玻爾茲曼分布,均勻地布居在基態(tài) 6S1/2F=3,4 的不同Zeeman態(tài)上.當(dāng)抽運(yùn)光頻率共振于銫原子6S1/2→6P3/2的某一超精細(xì)躍遷線時(shí),由于不同Zeeman態(tài)之間的 CG (Clebsch-Gordan) 系數(shù)不同,造成中間激發(fā)態(tài)6P3/2的超精細(xì)能級(jí)的不同Zeeman態(tài)上原子布居數(shù)不均勻分布,使得光路中處于中間激發(fā)態(tài)的銫原子變成各向異性介質(zhì).線偏振的探測(cè)光可以看成左旋圓偏振光σ+和右旋圓偏振光σ?的組合,它們?cè)诟飨虍愋缘匿C原子介質(zhì)中傳播時(shí),其折射率系數(shù)n+,n?及吸收系數(shù)α+,α?均不相同,如圖1(b)所示.這兩個(gè)圓偏振光在銫原子氣室輸出窗端口處(z=L為銫氣室的長度)又合成一個(gè)橢圓偏振光,即有

透射過銫原子氣室的探測(cè)光(左右旋圓偏振光)被半波片l/2和偏振分光棱鏡PBS分為兩束線偏振光后(偏振方向相互垂直),入射到一個(gè)差分探測(cè)器上,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào).設(shè)其中一個(gè)線偏振光的方向與y軸之間的夾角為δ,其大小可通過旋轉(zhuǎn)l/2 波片調(diào)整.由于 ?n與 ?α都是小量,計(jì)算中保留到二次項(xiàng),以及Io=cεo|Eo|2(c為光速,ε0為真空中介電常數(shù)),則有這個(gè)方向上透射光強(qiáng)I1(δ)為

同理可得另一線偏振光方向上透射光強(qiáng)I2(δ) 為

旋轉(zhuǎn)半波片l/2 改變?chǔ)慕嵌?當(dāng)時(shí),差分探測(cè)器輸出的電信號(hào)正比于光強(qiáng)差:

其中ω0為銫原子6P3/2→8S1/2能級(jí)躍遷的中心頻率,?αo=?α(ω=ωo) 為探測(cè)光與原子能級(jí)共振時(shí)的左右旋圓偏振光的吸收系數(shù)之差,Γ為8S1/2能級(jí)的自然線寬,為探測(cè)光相對(duì)于原子共振能級(jí)處的頻率失諧.從(7)式可以看出 ?I為完全色散型函數(shù),是一個(gè)類色散信號(hào),即TCPS,可作為鑒頻信號(hào)來無頻率調(diào)制地鎖定794.6 nm半導(dǎo)體激光器的頻率.

圖2為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,852.3 nm的半導(dǎo)體激光器通過飽和吸收光譜SAS可將其頻率鎖于6S1/2→6P3/2某一超精細(xì)躍遷線上.同時(shí),通過l/2波片和立方偏振棱鏡PBS分出一部分852.3 nm激光后,然后通過l/4波片將其轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光,作為抽運(yùn)光,將原子由基態(tài)6S1/2布居到中間激發(fā)態(tài)6P3/2,并導(dǎo)致6P3/2態(tài)超精細(xì)子能級(jí)上的不同Zeeman態(tài)原子布居數(shù)分布不均,使得光路中的銫原子變成各向異性介質(zhì).另一束線偏振的794.6 nm激光作為探測(cè)光,其頻率在6P3/2→8S1/2躍遷線之間掃描.抽運(yùn)光和探測(cè)光都是經(jīng)過單模保偏光纖整形(圖2示意圖中未畫出),其光斑呈近圓形,抽運(yùn)、探測(cè)光束～1/e2直徑分別約為 1.6和1.2 mm,兩激光束在銫泡 (Cs cell,直徑 25 mm,長50 mm)中通過雙色鏡 DF (對(duì) 852.3 nm 激光具有高反射率,對(duì)794.6 nm激光具有高透射率)共線重合和分離.分離后的794.6 nm探測(cè)光再經(jīng)過l/2波片和PBS后差分探測(cè),即可在光電探測(cè)器PD2和PD3處獲得同向、反向光路布局構(gòu)型下的原子激發(fā)態(tài)TCPS光譜.將獲得的TCPS光譜通過比例積分微分放大器PID負(fù)反饋794.6 nm半導(dǎo)體激光器壓電陶瓷PZT端口,實(shí)現(xiàn)頻率鎖定.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 DL 為 852 和 795 nm 光柵外腔反饋半導(dǎo)體激光器,OI 為光隔離器,SAS 為飽和吸收光譜裝置,PID 為比例積分微分放大器,HWP 為 1/2 波片,QWP 為 1/4 波片,M 為 45°高反鏡,PBS 為立方偏振分光棱鏡,Cs Cell為 25 mm×50 mm銫原子泡,DF為雙色鏡,BD為擋光板,PD為光電探測(cè)器Fig.2.Schematic diagram of experimental setup for the TCPS.Keys to the figure: DL,external-cavity diode laser; OI,optical isolator; SAS,saturated absorption spectroscopy; PID,proportion-integration-differentiation controller; HWP,half-wave plate; QWP,quarter-wave plate; M,mirror; PBS,polarization beam splitter cube; Cs cell,cesium vapor cell; DF,dichroic filter; BD,beam dump;PD,photodiode.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 抽運(yùn)光頻率失諧對(duì)雙色偏振光譜的影響

為了將794.6 nm半導(dǎo)體激光器無頻率調(diào)制地鎖于6P3/2→8S1/2躍遷的某一超精細(xì)躍遷線上,研究852.3 nm抽運(yùn)光頻率失諧對(duì)TCPS光譜的影響.實(shí)驗(yàn)中,在銫泡入射端面處,852.3 nm 抽運(yùn)光的功率約為 1.0 mW (功率密度約 0.50 mW/mm2),794.6 nm探測(cè)光的功率約為 0.3 mW (功率密度約0.26 mW/mm2).當(dāng)抽運(yùn)光頻率分別鎖于6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=2,3,4) 超精細(xì)躍遷線時(shí),在探測(cè)器PD2和PD3處差分探測(cè)794.6 nm光信號(hào),獲得典型的同向、反向?qū)嶒?yàn)構(gòu)型下的TCPS,如圖3和圖4所示.

圖3 同向傳輸實(shí)驗(yàn)構(gòu)型,852.3 nm 抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=3)→6P3/2(F′=2,3,4)時(shí),794.6 nm 激光作為探測(cè)光的TCPSFig.3.The TCPS for the co-propagation configuration when the 794.6 nm probe laser is scanned over the whole 6P3/2→8S1/2 transition,and the frequency of 852.3 nm pump laser is locked on the 6S1/2(F=3)→6P3/2(F' = 2,3,4) transition,respectively.

圖4 反向傳輸實(shí)驗(yàn)構(gòu)型,852.3 nm 抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=2,3,4) 時(shí),794.6 nm 激光作為探測(cè)光的TCPSFig.4.The TCPS for the counter-propagation configuration when the 794.6 nm probe laser is scanned over the whole 6P3/2→8S1/2 transition,and the frequency of 852.3 nm pump laser is locked on the 6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=2,3,4) transition,respectively.

圖3為852.3 nm抽運(yùn)光和794.6 nm探測(cè)光同向作用于室溫下氣室中銫原子時(shí)的TCPS,從左到右這些譜線對(duì)應(yīng)于激發(fā)態(tài)6P3/2→8S1/2的超精細(xì)躍遷線分別為:F'=4→F''=3,F'=3→F''=3,F'=2→F''=3,F'=4→F''=4,F'=3→F''=4,如圖3 中垂直虛線所示.這些譜線的識(shí)別及其之間的頻率間隔,以抽運(yùn)光頻率鎖于6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=3) 超精細(xì)躍遷線時(shí)的 TCPS 為例簡(jiǎn)要說明: 當(dāng)抽運(yùn)光頻率共振于F=3→F'=3 躍遷線時(shí),中間激發(fā)態(tài) 6P3/2(F'=3)上會(huì)布居抽運(yùn)光方向上速度分量為零的原子.由于室溫下氣室中的銫原子服從玻爾茲曼-麥克斯韋速度分布,以及多普勒效應(yīng)的存在,同時(shí)在F'=2,F'=4 態(tài)上也布居速度分量不為零的原子: 852.3 nm抽運(yùn)光頻率對(duì)于F=3→F'=2,4 超精細(xì)躍遷線的失諧量分別為+151.2 和–201.3 MHz.因此,當(dāng)失諧量D=151.2 MHz時(shí),根據(jù)多譜勒頻移公式D=n852.3/c×v(v為原子在抽運(yùn)光方向上的速度分量,c為光速,n852.3為抽運(yùn)光頻率),即可計(jì)算出布居在F'=2 態(tài)的原子速度分量大小為 128.9 m/s (方向與抽運(yùn)光同向); 當(dāng)D=201.3 MHz 時(shí),F'=4 態(tài)上也布居了速度分量大小為171.6 m/s的原子(方向與抽運(yùn)光反向).然而,這兩群特定速度分量的原子,對(duì)于 794.6 nm 的探測(cè)光而言,其感受到的多普勒頻移分別為–162.2 MHz和+215.9 MHz.進(jìn)而,按照探測(cè)光的頻率由低到高掃描過激發(fā)態(tài)6P3/2→8S1/2躍遷的超精細(xì)能級(jí)時(shí),便可計(jì)算、排列出這些譜線的相對(duì)位置為:F'=4→F''=3,F'=3→F''=3,F'=2→F''=3,F'=4→F''=4,F'=3→F''=4超精細(xì)躍遷譜線之間的頻率間隔依次為417.2,313.3,146.0 和 417.2 MHz,與圖3 中展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(由于F'= 4→F''= 3,4的TCPS譜線強(qiáng)度太弱,實(shí)驗(yàn)上不易觀察到).當(dāng)抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=2)時(shí),相對(duì)于抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=3),超精細(xì)子能級(jí) 6P3/2(F'=2)將會(huì)布居更多的原子,因此F'=2→F''=3 的 TCPS 信號(hào)必然增強(qiáng),而此時(shí)F'=3→F''=3,F'=3→F''=4 的 TCPS 信號(hào)將會(huì)減弱; 對(duì)于抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=4)時(shí) TCPS 的變化規(guī)律也是如此.進(jìn)一步注意到,當(dāng)抽運(yùn)光頻率鎖于不同的6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=2,3,4)超精細(xì)躍遷線時(shí),僅會(huì)導(dǎo)致TCPS光譜整體的平移和信號(hào)相對(duì)強(qiáng)弱的變化,而保持不變的頻率間隔.為此,將實(shí)驗(yàn)上獲得的抽運(yùn)光頻率鎖于F=3→F'=2,F=3→F'=4的這兩組TCPS分別向右、向左整體平移162.2 MHz和 215.9 MHz 后,與F=3→F'=3 時(shí)的這一組TCPS的各超精細(xì)躍遷譜線頻率位置完全對(duì)應(yīng).這是因?yàn)槌檫\(yùn)光頻率鎖于不同超精細(xì)躍遷線時(shí),僅會(huì)導(dǎo)致原子布居到6P3/2態(tài)超精細(xì)子能級(jí)上的數(shù)目和速度分量大小的不同,從而導(dǎo)致TCPS信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化,而其頻率間隔的大小完全取決于6P3/2,8S1/2態(tài)的超精細(xì)分裂的頻率間隔,這一特點(diǎn)對(duì)于精密測(cè)量原子激發(fā)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的磁偶極、電四級(jí)超精細(xì)相互作用常數(shù)有一定的意義.

圖4 為抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=3)→6P3/2超精細(xì)躍遷線,且與探測(cè)光束反向作用于室溫下氣室中的銫原子時(shí)的TCPS,其各超精細(xì)躍遷譜線的位置分析方法與圖3相同.反向構(gòu)型的TCPS光譜與同向構(gòu)型的相比,一個(gè)顯著的區(qū)別在于同向構(gòu)型的TCPS的譜線比較離散,而反向構(gòu)型的TCPS的譜線集中于“兩簇”: 一簇為F'=2,3,4→F''=3的超精細(xì)能級(jí)躍遷,實(shí)驗(yàn)測(cè)量它們之間的頻率間隔依 次 為 11.2 和 14.9 MHz (計(jì) 算值 應(yīng)為 10.9 和14.6 MHz); 另一簇為F'=3,4→F''=4 的躍遷,頻率間隔為 14.3 MHz (計(jì)算值應(yīng)為 14.6 MHz),如圖4所示.當(dāng)探測(cè)光與抽運(yùn)光束同向重疊作用于原子介質(zhì)時(shí),布居到6P3/2態(tài)上的原子感受到的探測(cè)光和抽運(yùn)光頻率的多譜勒頻移方向相同,致使譜線變得離散一些; 而當(dāng)探測(cè)光與抽運(yùn)光束反向重疊作用于原子介質(zhì)時(shí),原子感受到的兩激光束多譜勒頻移方向相反,且由于探測(cè)光與抽運(yùn)光波長(頻率)的差異,導(dǎo)致其多譜勒頻移的大小不同,故導(dǎo)致F'=2,3,4→F''=3 (F'=3,4→F''=4) 譜線的位置有一定的差異,即“簇”.如若探測(cè)光與抽運(yùn)光的頻率再接近一些,這種“簇”特點(diǎn)的譜線必將演化成一個(gè)譜線,這就是在銣原子5S1/2→5P3/2→5D5/2(780 nm + 776 nm)階梯形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中研究原子激發(fā)態(tài)光譜時(shí),與兩激光場(chǎng)非直接作用的超精細(xì)能級(jí)上布居的非零速度的原子對(duì)激發(fā)態(tài)光譜譜線的貢獻(xiàn)常被遺漏的原因所在[14,17].由于反向構(gòu)型的TCPS譜線比較集中,且相互疊加致使譜線的線型較為復(fù)雜,為了清楚地識(shí)別各超精細(xì)躍遷譜線,實(shí)驗(yàn)上也同時(shí)記錄了激發(fā)態(tài)的雙共振吸收譜線(optical optical double resonance,OODR),如圖4 所示.此外,同、反向構(gòu)型的TCPS光譜的另一個(gè)顯著的區(qū)別是譜線線寬的差異: 對(duì)于原子階梯型能級(jí)系統(tǒng),由于反向構(gòu)型存在電磁感應(yīng)透明這一量子相干效應(yīng),致使反向時(shí)的TCPS線寬明顯窄于同向[18?20],如在相同實(shí)驗(yàn)條件下,抽運(yùn)光頻率共振于6S1/2(F=3)→6P3/2(F'=2)時(shí),對(duì)于圖3 和圖4 中F'=2→F''=3 的 TCPS 線寬,反向線寬的典型值為7.3 MHz,而同向線寬為 16.2 MHz.窄線寬的譜線將有助于進(jìn)一步提高激光鎖頻之后的頻率穩(wěn)定度.

圖5 為 852.3 nm 抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=3,4,5) 超精細(xì)躍遷線,與 794.6 nm探測(cè)光同向作用于室溫下氣室中銫原子時(shí)的TCPS,從左到右這些譜線對(duì)應(yīng)于激發(fā)態(tài)6P3/2→8S1/2的超精細(xì)躍遷線分別為 :F'=4→F''=3,F'=5→F''=4,F'=3→F''=3,F'=4→F''=4,F'=3→F''=4,如圖5 中垂直虛線所示.實(shí)驗(yàn)測(cè)量這些譜線與F'= 5→F''= 4譜線之間的頻率間隔依次為 356,0,61,521 和 937 MHz,考慮到探測(cè)光頻率掃描時(shí)壓電陶瓷PZT非線性效應(yīng)的影響,在一定的誤差范圍內(nèi),其與理論計(jì)算值基本一致,見圖5 中垂直虛線頂端數(shù)值.在圖5 中,852.3 nm 抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=3)時(shí)的TCPS信號(hào)幅度相對(duì)較小,為此將其放大5倍顯示.圖6為在抽運(yùn)光與探測(cè)光反向傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)構(gòu)型時(shí)的TCPS信號(hào),依據(jù)與圖3譜線識(shí)別相同的方法,可以確定從左到右的這些譜線對(duì)應(yīng)的超精細(xì)躍遷分別為:F'=3→F''=3,F'=4→F''=3,F'=3→F''=4,F'=4→F''=4,F'=5→F''=4,頻率間隔計(jì)算值依次為 14.6,861.9,14.6 和 18.1 MHz,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.當(dāng)抽運(yùn)光頻率鎖于不同的超精細(xì)躍遷線時(shí),譜線的演化規(guī)律及分析討論與圖3一致.

圖5 同向傳輸實(shí)驗(yàn)構(gòu)型,852.3 nm 抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=3,4,5)時(shí),794.6 nm 激光作為探測(cè)光的雙色偏振光譜Fig.5.The TCPS for the co-propagation configuration when the 794.6 nm probe laser is scanned,and the frequency of 852.3 nm pump laser is locked on the 6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=3,4,5) transition,respectively.

圖6 反向傳輸實(shí)驗(yàn)構(gòu)型,852.3 nm 抽運(yùn)光頻率鎖于 6S1/2(F=4)—6P3/2(F'=3,4,5) 時(shí),794.6nm 激光作為探測(cè)光的雙色偏振光譜Fig.6.The TCPS for the counter-propagation configuration when the 794.6 nm probe laser is scanned,and the frequency of 852.3 nm pump laser is locked on the 6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=3,4,5) transition,respectively.

3.2 雙色偏振光譜在794.6 nm半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻方面的應(yīng)用

將激光器頻率鎖定在某一個(gè)穩(wěn)定的參考頻率上,可有效地抑制激光器頻率的起伏.由于偏振光譜本身就是一個(gè)類色散信號(hào),可直接作為鑒頻信號(hào)對(duì)激光器鎖頻,無需對(duì)激光器進(jìn)行額外的頻率調(diào)制,常受科學(xué)工作者的青睞.為了將類色散的TCPS光譜信號(hào)負(fù)反饋于794.6 nm半導(dǎo)體激光器的電流或(和)PZT端口,實(shí)驗(yàn)上常常通過旋轉(zhuǎn)l/4波片改變抽運(yùn)光的偏振在σ+和σ?之間轉(zhuǎn)換(l/4 波片需要旋轉(zhuǎn) 90°),實(shí)現(xiàn) TCPS 相位反轉(zhuǎn).實(shí)驗(yàn)中由于銫泡端面的雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了抽運(yùn)光、探測(cè)光偏振的改變,當(dāng)l/4波片旋轉(zhuǎn) 49°時(shí)實(shí)現(xiàn)TCPS相位反相,如圖7所示.

首先,將852.3 nm激光頻率通過飽和吸收光譜技術(shù)鎖于 6S1/2(F=4)→6P3/2(F'=5)超精細(xì)躍遷線上; 然后 794.6 nm 激光頻率在 6P3/2→8S1/2躍遷之間掃描,在探測(cè)器PD3處進(jìn)行差分探測(cè)獲得F'=5→F''=4 的 TCPS 譜線.最后,將此TCPS信號(hào)作為誤差信號(hào),經(jīng)過PID鎖頻模塊及高壓放大器后,負(fù)反饋于794.6 nm激光器的壓電陶瓷PZT端口.逐漸減小794.6 nm激光器頻率掃描的范圍直至到0,配合調(diào)整其激光電流及PZT的偏置電壓,保持其頻率始終共振于F'=5→F''=4 的躍遷線,閉合電子伺服反饋環(huán)路PID,從而實(shí)現(xiàn) 794.6 nm 激光頻率的鎖定,典型結(jié)果如圖8所示.在周圍實(shí)驗(yàn)環(huán)境沒有明顯振動(dòng)和噪聲干擾的條件下,794.6 nm激光器可達(dá)小時(shí)量級(jí)保持在頻率鎖定的狀態(tài).方便起見,使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器僅記錄了在225 s內(nèi),激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻率起伏約9.2 MHz,和鎖頻之后的頻率起伏約0.5 MHz,794.6 nm 激光器的頻率穩(wěn)定性有了明顯的改善.

圖7 相位相反的雙色偏振光譜 TCPS,紅色 (上)TCPS 對(duì)應(yīng)的 l/4 波片位置讀數(shù)為 131°,黑色 (下)TCPS對(duì)應(yīng)的l/4波片位置讀數(shù)為180°Fig.7.The TCPS with opposite phase,(upper TCPS) angle of l/4 wave plate is set to 131°; (lower TCPS) angle of l/4 wave plate is set to 180°.

圖8 794.6 nm 激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)和鎖頻后的頻率起伏Fig.8.The frequency fluctuation of 794.6 nm laser for freerunning and locking on in 225 seconds,respectively.

4 總 結(jié)

基于銫原子 6S1/2-6P3/2-8S1/2(852.3 nm +794.6 nm)三能級(jí)階梯型系統(tǒng),詳細(xì)地研究了抽運(yùn)光頻率失諧、同反向?qū)嶒?yàn)構(gòu)型以及抽運(yùn)光偏振對(duì)原子激發(fā)態(tài)雙色偏振光譜TCPS的影響.發(fā)現(xiàn)抽運(yùn)光頻率失諧僅會(huì)導(dǎo)致TCPS光譜整體的頻移(保持不變的頻率間隔)和各超精細(xì)躍遷信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度的變化; 實(shí)驗(yàn)證實(shí)了抽運(yùn)光與探測(cè)光反向作用于原子介質(zhì)時(shí),由于存在量子相干效應(yīng),致使其TCPS信號(hào)的線寬較同向?qū)嶒?yàn)構(gòu)型的明顯要窄,這對(duì)精密測(cè)量原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和激光穩(wěn)頻具有重要的意義;改變抽運(yùn)光的偏振可實(shí)現(xiàn)TCPS信號(hào)線型相位的反轉(zhuǎn),以便負(fù)反饋于激光器實(shí)現(xiàn)其頻率鎖定.最后,利用TCPS光譜實(shí)現(xiàn)了794.6 nm半導(dǎo)體激光器無頻率調(diào)制的鎖頻,可應(yīng)用于原子的雙色激光冷卻、俘獲、四波混頻[21?23]實(shí)驗(yàn)中,也可將這種鎖頻的方法拓展到光纖通訊波段的激光穩(wěn)頻[24]等,具有一定的應(yīng)用價(jià)值.